低温环境下高电压超导电缆局部放电特性研究

The trend of high voltage and actualization application has put forward higher requirements to the insulation of the superconducting cable. Partial discharge is one of the most important factors which causes the degradation and affects the insulation stability property; and partial discharge is easier to happen in the superconducing cable due to its film wrapped insulation structure. The thermal-chemical reaction should be suppressed under the cryogenic environment; but the damage to the insulation cased by the electrochemical reaction and the photochemical reaction may be still serious; this will have great impact on the performance of the high voltage insulation. The partial discharge characteristics of the superconducting cable under the cyogenics environment will be studied via both theoretical analysis and experimental research; and the physical and mathematical models of partial discharge will be build in this project, in which the low-temperature insulated superconducting cable is used to be the main research object.We try to master the law and the influenc factors for both the partial discharge to the mail insulation and the creepage discharge to the surface of the termination and the lead; and to grasp both the mechanism impacting to partial discharge due to the crogenics thermal cycling and the damage to insulation by partial discharge. Also, the sensitivity and tolerance ablility of the insulation material to the partial discharge will be provided. Then, the suppression method for the partial discharge will be given after this study. The research findings will be the theoretical basis for the insulation structure design and the controlling to the partial discharge level. The mail purpose is to eventually solve the stability problem of high-voltage insulated superconducting cable by the study.

高电压、实用化是超导电缆必然发展趋势，这对其低温绝缘性能提出了更高的要求。局部放电是造成高压绝缘性能劣化、影响绝缘稳定性的最主要因素之一，而超导电缆低温绝缘的薄膜绕包结构自身容易引起局部放电；低温环境下，局部放电产生的热化学反应将得到抑制，但其引起的光、电化学反应可能同样会对高电压绝缘产生严重影响，低温条件下局部放电对绝缘的危害性比常温条件下更大。本项目以低温绝缘超导电缆及其终端和电流引线绝缘为主要研究对象，通过理论分析和实验研究，构建物理模型和数学模型，开展超导电缆局部放电特性研究；掌握低温环境下超导电缆局部放电规律、影响因素；获得低温热循环对局部放电的影响机理、局部放电对绝缘的损伤方式以及绝缘材料对局部放电的敏感性和耐受特性；提出局部放电抑制方法；为超导电缆高电压绝缘结构设计和局部放电控制水平提供理论依据，最终解决超导电缆高电压绝缘稳定性难题。

高电压、实用化是超导电缆必然发展趋势，这对其低温绝缘性能提出了更高的要求。局部放电是造成高压绝缘性能劣化、影响绝缘稳定性的最主要因素之一，而超导电缆低温绝缘的薄膜绕包结构自身容易引起局部放电。本项目以低温绝缘超导电缆要研究对象，分析了高温超导电缆正常及其在配套冷却系统发生泄压时的运行环境，提出高温超导电缆绝缘材料选型、结构设计必须以常压下局部放电和沿面放电起始电场为依据；通过理论分析和实验研究，掌握了液氮环境下超导电缆绝缘内部局部放电和沿面放电起始场强等规律。. 交流电场下发生的部局部放电的主要诱因就是存在缺陷，常见的如微孔、杂质、绕包绝缘结构中绝缘带搭接或者间隙中产生的间隙（butt gap）等。从绝缘结构方面，绝缘结构为重叠绕包时，聚丙烯层压纸（PPLP）低温下局部放电起始场强达到了5.9 kV/mm，比常温下高近5倍；聚酰亚胺（PI）在液氮环境下局部放电起始场强仅为3.8 kV/mm；重叠绕包结构比间隙绕包结构要更为优异，主要表现在局部放电起始电压和起始场强有明显的提高。从局部放电量而言，无论是PPLP或是PI材料，液氮环境中的局放量均有超过100倍的缩减量。本项目共进行了40次循环实验，其中15次局部放电实验。实验研究结果表明，在有限的热循环次数下，局部放电起始电压、局部放电量等没有明显的变化。常规普通XLPE塑料绝缘电缆的局部放电量不超过5 PC，通过对模型电缆持续四天累计16小时、局部放电量为7000PC——9000PC局部放电老化实验，并进行解剖研究表明，PPLP未发现明显局部放电损伤痕迹。掌握了低温下固体绝缘表面的沿面放电特性。工频及冲击电压条件下，G10 环氧样品沿面电极间隙＜100mm时，击穿电压随电极间隙线性增长，在液氮中，电极间隙增加时出现饱和趋势。 . 通过本项目的研究，为高温超导电缆绝缘材料选型、绝缘结构设计、局部放电控制水平、终端电流引线设计提供了理论依据。. 项目共发表文章10篇，其中项目负责人第1作者5篇；SCI收录3篇（第1作者2篇）；发明专利6项；培养博士1名、硕士2名。